ES2342249B1 - Dispositivo para la presentacion de estimulos tactiles con registro concurrente del eeg. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la presentación de estímulos táctiles con registro concurrente de EEG.

Dispositivo mecánico y electrónico para la presentación de superficies con diferentes texturas al tacto. El dispositivo construido incluye una plataforma giratoria dotada de 12 huecos de acoplamiento para insertar estímulos con diferentes texturas y presentarlos a la yema del dedo del sujeto. La velocidad de giro de la plataforma puede controlarse en un rango amplio (desde 0.029 rad/seg hasta 0.41 rad/seg) mediante un servomotor de corriente continua. Un conjunto de clavijas y sensores fotoeléctricos permite identificar los estímulos y enviar señales de sincronización que señalan el inicio de la exploración táctil a dispositivos externos como pueden ser equipos de registro electroencefalográfico. Las señales eléctricas de sincronización se componen de un código de cuatro bits que se almacena temporalmente en buffer para ser enviados al dispositivo externo en el preciso momento en que el estímulo toca la yema del dedo del perceptor.

Description

Dispositivo para la presentación de estímulos táctiles con registro concurrente del EEG.

Sector de la técnica

Área científica: Investigación experimental en Psicología del Tacto y Neurociencia (electroencefalografía).

Sector de Actividad: Dispositivo mecánico y electrónico para la presentación de superficies con diferentes texturas al tacto. El dispositivo permite su conexión con equipos externos (de Electroencefalografía -EEG- o cualquier otro dispositivo electrónico que admita señales digitales de entrada).

Estado de la técnica

Una parte considerable del progreso realizado en la investigación en Psicología del Tacto ha sido el resultado del desarrollo de nuevos dispositivos mecánicos y electrónicos así como de la disponibilidad de una gran variedad de materiales con interesantes características físicas para su utilización en la investigación del tacto. Estos nuevos dispositivos (Automated Tactile Delivery Systems) han sido diseñados para presentar estímulos al tacto de forma controlada. Por otra parte, los nuevos materiales desarrollados tienen propiedades especiales que permiten estimular diferentes sub-sistemas del tacto de forma diferenciada (v.g., el Ionic Polymer Metallic Composite -Konyo, et al., 2000-; Konyo et al., 2003-; los fluidos electro-reológicos -Kenaly y Cutkosky, 1989-; o las aleaciones de metales que conservan memoria de la forma).

El dispositivo objeto de esta patente está diseñado para presentar superficies táctiles mediante el movimiento real del estímulo (en contraposición al movimiento simulado de otros dispositivos). En este campo se han descrito varios dispositivos. Así, por ejemplo, Jiang y colaboradores (1997) utilizaron un tambor como estimulador táctil. Este tambor disponía de diferentes superficies con puntos que sobresalían de la misma y cuya protrusión variaba desde 2 mm hasta 5 mm. La velocidad de rotación del tambor se podía variar desde 53 mm/s a 105 mm/s. También se podía controlar la fuerza que el tambor ejercía sobre la piel estimulada. Essick y colaboradores (1999) utilizaron un dispositivo compuesto por un brazo mecánico diseñado para presentar estímulos a la mejilla de los perceptores. El dispositivo permitía controlar dos ejes de movimiento: anterior-posterior y arriba-abajo. La velocidad del estímulo se podía variar entre los valores 0.5, 5 ó 50 cm/s. Los mecanismos anteriormente citados permiten presentar superficies de forma controlada al sistema táctil en estudios fisiológicos y psicofísicos (Tiest y Kappers, 2006, 2007, 2008) y, además, permiten estudiar la percepción táctil utilizando técnicas de neuroimagen o registros electrofisioiógicos. Un ejemplo de la utilización combinada de estimuladores táctiles y técnicas de neuroimagen la encontramos en el sistema Helix que permite presentar varias combinaciones estimulares sobre la piel mediante un cilindro de movimiento lateral (Ingeholm et al., 2006). Otro ejemplo es el Dodecapus, un sistema pneumático utilizado para presentar bocanadas de aire en diversos lugares de la superficie corporal (Huang y Sereno, 2007). De forma similar, se han desarrollado varios estimuladores táctiles que permiten su utilización simultánea con el registro magnetoencefalográfico (Hoechstetter et al., 2002). En relación al trabajo con potenciales evocados (Event-Related Potentials o ERP), Gillmeister y Eimer (2007) han utilizado recientemente un solenoide que se sujeta a la segunda falange del dedo índice registrando simultáneamente el ERP mediante la sincronización de las señales enviadas al estimulador (solenoide) y el registro electroencefalográfico.

Ninguno de los dispositivos mencionados ha sido diseñado específicamente para permitir la presentación de superficies al tacto que puedan variar en diferentes dimensiones táctiles (e.g., textura o dureza) y que permitan el registro concurrente de variables electroencefalográficas. El dispositivo objeto de esta patente viene a cubrir esta carencia. Un aspecto clave del dispositivo diseñado ha sido poder lograr una perfecta sincronización entre la presentación del estímulo y el registro del potencial eléctrico en diversos lugares del cuero cabelludo. Gillmeister y Eimer (2007) solventaron este problema utilizando estímulos muy sencillos controlados eléctricamente. En nuestro caso, hemos diseñado un dispositivo que permite utilizar estímulos que pueden variar en diversas dimensiones estimulares (rugosidad, deslizamiento, dureza, entre otras).

Bibliografía

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Konyo, M., Tadokoro, S., Takamori, T. y Oguro, K. (2000). Artificial tactile feel display using soft gel actuators. Proc. IEEE ICRA, 3416-3421.

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Tiest, B. y Kappers A. M. (2008). Thermosensory reversal effect quantified. Acta Psychol (Amst). Jan; 127,
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Descripción de la invención Explicación de la invención

En la medida de nuestro conocimiento, no existe actualmente un dispositivo capaz de presentar estímulos con textura al tacto y que permita registrar simultáneamente y de forma sincronizada variables electroencefalográficas. Para solucionar este problema hemos diseñado un dispositivo (de aquí en adelante, Spinning Wheel o SW) compuesto por dos partes principales: una plataforma circular giratoria y una interface que controla la plataforma y adapta las señales eléctricas que se envían al sistema de registro del EEG. La plataforma giratoria es un disco de metacrilato negro que gira en el plano horizontal y que dispone de dieciséis huecos integrados en la parte superior de la misma en donde se aseguran los estímulos mediante tomillos de fijación. Debajo de la plataforma existen un conjunto de clavijas que codifican el estímulo en función de su posición en la plataforma. Cada conjunto de clavijas se leen mediante una matriz lineal de sensores fotoeléctricos que generan un código binario que es almacenado en una memoria transitoria (buffer) antes de ser enviado al dispositivo de registro del EEG. El almacenamiento previo del código del estímulo es un requisito necesario para enviar la señal de sincronización (trigger) en un único pulso.

El dispositivo permite estudiar la respuesta electroencefalográfica del sistema del tacto en humanos mediante la presentación de estímulos táctiles con diversas texturas a la yema del dedo. Este sistema se ha diseñado específicamente para obtener ERPs (Event Related Potentials) a cada estímulo mediante la sincronización entre la presentación del estímulo a la superficie de la piel y el envío de una señal eléctrica (trigger) al aparato de registro del EEG (en nuestro caso NuAmps systems, Neuroscan®).

Descripción de las figuras

Figura 1. Croquis de la plataforma giratoria con los 16 huecos de inserción ocupados completamente por todos los estímulos. En la figura se han señalado dos tornillos de fijación (a) del total de 16 existentes. Cada tomillo de fijación ejerce la fuerza suficiente para mantener los estímulos inmóviles en su correspondiente hueco contrarrestando así la fuerza ejercida por la superficie de fricción (el dedo en nuestro caso). La plataforma sobre la que los participantes disponen el dedo que recibirá la estimulación (b) contiene, además, el sensor fotoeléctrico (e, Figura 3) que es activado por la clavija de disparo (c) asociada con cada hueco de inserción. Se han indicado mediante flechas cuatro clavijas de disparo. Los estímulos táctiles (d) se han insertado en los huecos de inserción y rotan conjuntamente con la plataforma.

Figura 2. Vista lateral inferior de la plataforma mostrando las clavijas que codifican la identidad de cada estímulo (f). El conjunto de cuatro clavijas y su presencia/ausencia permite identificar un total de 2^{4} = 16 estímulos diferentes. Cada conjunto de clavijas se encuentra dispuesto radialmente en relación a la plataforma giratoria y por debajo del correspondiente estímulo con textura que codifica. En el croquis se pueden apreciar los cuatro lectores fotoeléctricos inferiores (e) que registran la presencia/ausencia de cada una de las cuatro clavijas así como la base de mantenimiento de la plataforma (g).

Figura 3. Vista lateral del fotosensor superior (e) dispuesto verticalmente así como una de las clavijas horizontales (c) que, asociadas a cada elemento estimular, liberan el buffer que contiene el código apropiado al aparato de registro del EEG. También puede apreciarse (h) el hueco que permite insertar la yema del dedo del participante (en este caso se aprecian las líneas de la textura de los estímulos).

Figura 4. Circuito electrónico de control de la plataforma giratoria.

Figura 5. Circuito electrónico para la generación y envío de señales a NeuroScan.

Descripción detallada de la invención

La plataforma base del dispositivo se compone de un plato giratorio utilizado para presentar los ortoedros que componen el conjunto estimular (ver Figura 1). La plataforma está fijada sobre un eje de giro que es accionado mediante un servomotor. El radio de la plataforma es de 24.6 cm (perímetro de 154.56 cm). En relación a la disposición espacial de los estímulos en la plataforma, hemos de señalar su similitud con la disposición utilizada por Cholewiak y Collins (1994) en un test de percepción de umbrales de enrejados rectangulares que variaban en su longitud de onda. Sin embargo, a diferencia de nuestro trabajo, Cholewiak y Collins (1994) presentaron los estímulos de manera estática y emplearon únicamente medidas conductuales. Los estímulos colocados en los 16 huecos de inserción de la plataforma giratoria se mueven a una velocidad angular constante mientras su superficie rugosa (con textura) entra en contacto con la yema el dedo del perceptor (normalmente, el dedo índice). La plataforma y la estructura principal del dispositivo se construyeron en metacrilato negro. La velocidad de giro de la plataforma puede controlarse directamente mediante un potenciómetro localizado en la base frontal del interface. Dicha velocidad puede regularse linealmente en una gama que va desde los 0.029 rad/seg hasta 0.41 rad/seg.

La plataforma giratoria dispone de dieciséis huecos rectangulares de inserción para acoplar los estímulos. Estos huecos se encuentran situados en la circunferencia externa de la plataforma. Los estímulos (d) se atornillan a los huecos (a) para evitar su desplazamiento debido al rozamiento con el dedo. Las dimensiones internas de los huecos de acoplamiento son de 4 x 6.2 cm^{2}. El ángulo subtendido por cada estímulo es de 13.42º. El SOA (intervalo temporal existente entre el comienzo de dos estímulos o Stimulus Onset Asynchrony) y el ITI (intervalo entre la finalización de un estímulo y el inicio del siguiente estímulo o Inter Trial Interval) se pueden regular variando el número de huecos de inserción que se utilizan y la velocidad a la que gira la plataforma. El número de estímulos y, por tanto, de huecos de acoplamiento utilizados va a depender del diseño experimental. No es necesario utilizar todos los huecos en cada ensayo. Además, cada hueco de acoplamiento permite un cierto grado de variación en la posición de acoplamiento (jitter) evitando así las posibles expectativas que pudieran generarse en los participantes en el estudio.

En el momento en que un estímulo entra en contacto con la yema del dedo del perceptor se activa un fotosensor (e) gracias a una clavija (c) alineada con la parte frontal del estimulo (Figura 3). La clavija provoca el disparo de una señal eléctrica previamente almacenada en un buffer que se envía al sistema de registro del EEG. Antes del disparo de la señal, el hardware del sistema ha almacenado la posición del estímulo utilizando un código específico diferente para cada uno de los posibles estímulos. El código del estímulo específico presentado al perceptor en cada ensayo se define mediante una distribución diferente de clavijas alineadas radialmente desde la parte externa de la plataforma a la interna. Estas clavijas (f) se colocan en el espacio existente entre dos huecos de acoplamiento situadas debajo de la plataforma (véase Figura 2) y son leídas por un conjunto de fotosensores estáticos (e) dispuestos en la parte inferior de la plataforma. Por consiguiente, el código del estímulo siguiente que percibirá el sujeto se genera y almacena antes de que el estímulo llegue efectivamente al dedo del perceptor. Cuando el estímulo contacta inicialmente con la yema del dedo una clavija especial situada en la parte superior y alineada con el estimulo (e) es la que genera el disparo del código previamente almacenado.

Como se ha mencionado, las señales eléctricas se utilizan para enviar una señal al amplificador del sistema de registro del EEG (NuAmps). Mediante la codificación de estas señales nos aseguramos de que el estímulo específico que se le presenta en cada ensayo será el que señalice (triggering) el inicio de la presentación estimular para poder realizar el análisis del ERP (Event Related Potencial). El código que identifica cada estímulo ha sido memorizado previamente a la presentación táctil del estímulo mediante un dispositivo electrónico (buffer) y se libera en el momento en que la clavija superior intercepta el fotosensor superior (e). La liberación del código permite que el aparato de registro del EEG lo lea en el momento en que el estímulo contacta efectivamente con el dedo del perceptor. Como se ha indicado previamente, cada una de las clavijas superiores (c) está alineada con la parte frontal de cada estímulo.

El sistema de disparo se compone de un código de 4 bits. Este código permite codificar cada una de las dieciséis posiciones de los huecos de acoplamiento ya que permite discriminar hasta un máximo de 16 posiciones (2^{4}). El modulo Scan Acquire de la empresa Neuroscan® permite leer, registrar y visualizar el código específico de cada estímulo. Este código es imprescindible para el procesamiento del EEG (e.g., por épocas o promediado).

La plataforma gira a una velocidad constante gracias a un servomotor de corriente continua (DC) modelo RF-500TB-12560. Este motor permite que la velocidad se mantenga constante con independencia de las fuerzas transversales aplicadas al estímulo. La constancia de la velocidad de giro de la plataforma es un requisito necesario para asegurar que la velocidad no disminuye cuando el estímulo contacta con la yema del dedo. Los circuitos electrónicos que controlan el dispositivo se encuentran localizados en el interface (Figuras 4 y 5).

Claims (2)

1. Dispositivo mecánico y electrónico caracterizado por permitir la presentación de estímulos táctiles con registro concurrente del EEG que consiste en una plataforma giratoria para la presentación de estímulos táctiles con sincronización del momento de inicio del contacto de la yema del dedo del perceptor con el estímulo (Figura 1). La plataforma giratoria está compuesta por dieciséis huecos diseñados específicamente para insertar los estímulos táctiles en esas posiciones. Cada uno de estos huecos dispone de una clavija (c) y un fotosensor (e), véase la Figura 3, que dispara la señal almacenada en el buffer para poder ser utilizada por dispositivos externos (por ejemplo, Thermode, Neuroscan u otros). Tarjeta para el control electrónico de la velocidad de giro (Figura 4). Dicha tarjeta gestiona, además, la generación y envío de los impulsos de sincronización a los dispositivos extemos.

2. Dispositivo para presentar estímulos táctiles con registro concurrente del EEG, según la reivindicación 1, caracterizado por constar de un sistema de codificación de la identidad de los estímulos compuesto por cuatro clavijas para cada una de las dieciséis posiciones estimulares. Dichas clavijas (f) están situadas en la parte inferior de la plataforma giratoria (Figura 2), debajo de cada hueco donde se sitúan los estímulos táctiles. Tarjeta electrónica para almacenar temporalmente (buffering) el código digital enviado por el sistema de codificación (Figura 5).